抽象的：來自第四屆 AIAA CFD 高升力預測研討會和第三屆幾何與網格生成研討會的網格生成和流動求解器專家的共同努力幫助評估了當前一代計算流體動力學 (CFD) 技術對掃掠、介質的數值預測能力/高升力配置的高展弦比機翼。NASA 通用研究模型 (CRM-HL) 配置的高升力版本用于此評估，因為實驗風洞數據可用于比較，從而構成國際合作的基礎。正如在之前的研討會中觀察到的那樣，固定網格雷諾平均納維-斯托克斯對于高升力仍然不準確且不一致。然而，網格適應帶來了更多的一致性，

介紹

2022 年 1 月，與 AIAA SciTech 聯合舉辦了第四屆 AIAA CFD 高升力預測研討會 (HLPW-4) 和第三屆 AIAA 幾何與網格生成研討會 (GMGW-3)。這些研討會系列旨在推進使用 CFD 軟件預測高升力流動的最新技術水平。目前用于預測低速、高升力流場的 CFD 技術通常被認為是不可靠和不一致的。為了讓參與者更好地協作，技術焦點小組幫助確定了當前 CFD 技術需要改進的不同領域（性能、準確性、適用性），并為遵循最佳實踐奠定了基礎。

HLPW 研討會系列的長期目標如下：

• 評估當前一代 CFD 技術/代碼的數值預測能力（網格劃分、數值、湍流建模、高性能計算要求等），用于著陸/起飛（高升力）的后掠、中高展弦比機翼) 配置。

• 為高升力流場的 CFD 預測制定實用的建模指南。

• 確定對建模至關重要的高升力流動物理元素，以開發更準確的預測方法和工具。

• 增強 CFD 預測能力以進行實用的高升力空氣動力學設計和優化。

CRM-HL 配置

CRM-HL 模型主要用于不同的案例研究，包括湍流模型驗證研究、CFD 網格劃分等。CRM-HL 模型的配置包括一個機艙/塔架，其上表面有一個產生渦流的脊柱機艙。十二個縫翼支架將外縫翼元件連接到主機翼，三個縫翼支架將內縫翼元件連接到主機翼，三個襟翼整流罩覆蓋襟翼和主機翼之間的附件。圖 1 顯示了 CRM-HL 配置。

圖 1. CRM-HL 配置。

研討會的參與者被要求運行“完全湍流”的案例（未指定過渡。盡管在 QinetiQ 風洞測試期間使用“觸發點”來觸發邊界層，但據信流動的幾個區域具有層流氣流：機身前端、機艙和吊架的前部，以及縫翼外側的機翼前緣。

襟翼偏轉和升力預測的方法

1. 襟翼偏轉引起的增量

對于預測由于襟翼偏轉（當襟翼包括分離流時）引起的增量，基于 RANS 的方法不成功且不一致。Lattice-Boltzmann (LB) 方法的一個結果表明趨勢良好；然而，兩個混合 RANS/大渦模擬 (HRLES) 提交并沒有很好地預測趨勢。因此，需要更多使用尺度分辨方法的研究來確定它們的功效。

2.因提升而增加

為了預測最大升力系數 CL,max，尺度分辨方法與測試數據的相關性比 RANS 更好，既可以捕獲分離的流動物理現象，也可以在機翼外側以正確的原因獲得正確的答案。在翼根附近，關于隧道底部邊界層對半跨模型的影響，目前有太多未解決的問題無法得出任何確定的結論。盡管在 CL,max 附近的尺度分辨模擬取得了成功，但這些結果仍然缺乏一致性。大部分這種不一致可能是因為網格分辨率。在使用 HRLES 和 WMLES（壁模型大渦模擬）時，仍然需要更嚴格的最佳實踐指南來為復雜配置上的高升力流實現充分的網格劃分。

HLPW-4 /GMGW-3 中探索的高升力 CFD 分析

研討會結果表明，固定網格 RANS 通常無法實現足夠的網格收斂。在攤位附近，無法得出關于網格適用性的結論，即使是在最精細的網格上也是如此。對于高階方法，最佳實踐網格劃分指南與 RANS 完全不同。高度各向異性元素的三維網格彎曲是一項艱巨的任務。隱式求解器對于解決高階離散化至關重要。總的來說，將高階有限元和有限體積方法應用于 CRM-HL 配置得到了證明，但非常具有挑戰性。

對于 HRLES，導致 RANS 網格收斂的網格設計不會導致 HRLES 網格收斂，并且網格分辨率被認為對預測的分離模式有顯著影響。典型的 HRLES 運行成本大約是 RANS 的 10 到 15 倍。在一些風洞試驗中，很難匹配所測隧道壁邊界層的形狀和厚度，這會影響求解。

對于壁模型大渦模擬和格子玻爾茲曼 (WMLESLB)，在失速處和失速處發現對網格分辨率和網格特性（例如單元各向異性）的高度敏感。與 HRLES 一樣，網格分辨率對預測的分離模式有重大影響。典型的 WMLES 運行成本大約是 RANS 的 5 到 10 倍。與試圖代表風洞試驗中的實際跳閘機制相比，數值跳閘更具成本效益。就平均時間而言，高攻角需要比低攻角更長的時間來確保實現平穩性。

圖 2. 攻角 α = 7.05°（頂部）和 α = 19.57°（底部）時自由空氣 CL 預測的統計分析

結論

HLPW-4 和 GMGW-3 之間的聯合研討會模型使人們更加關注網格劃分，這繼續對 CFD 解決方案產生重大影響。高升力流的幾何準備和固定網格劃分仍然很困難。為不同的方法、代碼和提升曲線區域確定固定網格指南也很困難。也許如果有足夠的計算能力和代碼能力定期對具有數百或數千億個未知數的網格運行 CFD，那么對于接近最大升力的現實問題，網格的影響可能會得到有效降低。

對于高升力流，RANS 仍然無法準確一致地預測力和俯仰力矩。高階方法仍然是復雜幾何結構的新興技術，例如 CRM-HL。盡管它們在 2-D 驗證練習中表現出色，但高階 CRM-HL 結果不如其他方法。網格自適應技術為高升力結果帶來了更高的一致性。尺度分辨模擬方法似乎最有希望預測 CL，最大值。然而，在低攻角下，尺度分辨方法的準確性略低于 RANS。

雖然大多數 HLPW-4/GMGW-3 參與者僅運行自由空氣計算，但未來的驗證工作可能會涉及更多的隧道內運行。對于那些人，如果可能的話，獲得完整的風洞特征將很有幫助，包括上游隧道壁邊界層剖面和流入流均勻性圖。

參考：

1. Rumsey, Christopher L.、Slotnick, Jeffery P. 和 Woeber, Carolyn D.“HLPW-4/GMGW-3：概述和研討會摘要”，AIAA 論文編號。2022-3295，2022 年 6 月。